基于混合通信顺序进程的高速铁路列控系统形式化建模与验证方法

针对高速铁路列控系统的混杂特性,提出一种基于混合通信顺序进程(HCSP)的列控系统形式化建模与验证方法。引入了HCSP的假设条件,建立列控系统的行为模型;定义了HCSP到混合自动机(HA)的转换规则,将HCSP模型转换成HA模型;利用模型检验工具PHAVer对HA模型进行自动验证。以高速铁路列控系统典型的行车许可运营场景为例,建立区间闭塞分区行车许可场景的HCSP模型;根据转换规则将行车许可场景的HCSP模型转换成HA模型;用PHAVer验证了所建立的区间闭塞分区行车许可场景模型的正确性,从而证明了基于HCSP的高速铁路列控系统建模及验证方法的有效性。     

基于HCSP的列控系统安全性建模与验证分析

高速铁路列车运行控制系统是保证列车安全、高效运行的核心设备,如何验证系统功能的正确性从而提高系统的安全性是至关重要的。引入了一种基于进程演算的方法—混合通信顺序进程（HCSP ,Hybrid Communication Sequential Process）,利用该方法对列控系统进行了形式化描述,并针对典型的场景—注册与启动场景进行了HCSP建模,通过引入转换规则,进行了相应模型转换,应用模型检验工具UPPAAL进行了仿真和功能验证,验证结论表明了场景模型功能的正确性以及方法的可行性。     

基于随机价格时间博弈的列车队列稳定性模型验证与控制策略优化

为保证列车队列运行安全并提高队列稳定性,研究了列车队列稳定性模型验证与控制策略优化问题;基于车-车通信的列车队列采用等空间间隔、等时间间隔和变时距3种控制策略,利用随机价格时间博弈自动机,建立了包含领航列车和跟随列车的队列控制模型,分析了模型的队列稳定性;在保证列车运行安全的前提下,以列车的相对位置差、相对速度差和时间间隔差为成本函数,通过队列随机价格时间博弈自动机模型获得控制策略集;利用Q-Learning方法得到队列的最优驾驶策略,验证队列运行的安全性和稳定性;结合列车运行追踪场景,进行队列的稳定性分析。仿真结果表明：通过形式化验证,采用3种控制策略下的队列安全性得到了保证;通过随机价格时间博弈控制、协方差优化控制和Q-Learning方法对比PID控制,等空间间隔策略下的队列稳定性误差最大值分别减小到了0.19%、0.18%和0.11%,等时间间距策略下的队列稳定性误差最大值分别减小到了30.21%、10.34%和9.24%,变时距策略下队列稳定性误差最大值分别为118.27%、56.09%和39.67%,可见,采用Q-Learning方法的随机价格时间博弈理论能在安全前提下提高列车队列稳定性。     

基于时间自动机模型的安全计算机平台的形式化验证

众多工业控制领域要求计算机控制系统具有高可靠、高可用和高安全的运行基础,2乘2取2冗余结构的安全计算机平台是提高系统安全性、可靠性的一种重要解决方式。CBTC列控系统的安全计算机平台采用2乘2取2冗余结构,它是一个实时系统,控制过程需要考虑时间因素。本文分析CBTC系统安全计算机平台系统的组成结构,提取出系统的功能约束,采用基于时间自动机理论的建模验证工具UPPAAL建立系统的自动机网络模型,进行仿真分析,验证系统的功能性、实时性、安全性要求。     

高速铁路列控系统运营场景实时性的建模与验证

高速铁路列控系统是一个典型的分布式实时系统,其时间约束主要反映在运营场景中子系统之间的交互过程中。时序逻辑的扩展方法并不能完全满足描述分布式实时系统性质的需要,并且随着系统的复杂性提高,列控系统运营场景中诸如超时、期限、直到…才等形式化描述与验证上存在不足。本文提出一种适合于列控系统场景建模与验证的方法,其核心思想是使用混合通信顺序进程HCSP(Hybrid Communicating Sequential Process)形式化描述分布式实时系统模型,提出转换规则,转换成时间自动机网络模型并进行自动验证。最后通过对典型场景无线闭塞中心RBC(Radio Block Center)切换的相关属性进行建模与验证,分析证明方法的有效性。     

客运专线CTCS-3级列控系统无线闭塞中心的建模与验证

本文分析客运专线CTCS-3级列控系统中无线闭塞中心(RBC)子系统软件的功能和性能约束,在此基础上采用时间自动机理论进行RBC子系统形式化语义描述,建立TER-QSR时间自动机网络模型,并应用UPPAAL验证工具对RBC子系统进行仿真分析,验证RBC的安全性(Safety)和受限活性(Bounded Liveness),同时进行RBC切换时间的优化。     

CTCS-3级列控系统临时限速建模与验证

为了满足临时限速系统的实时性要求,采用时间自动机理论,对CTCS-3级列控系统临时限速工作流程分别建立了各设备的时间自动机子模型,进而构成临时限速系统的时间自动机网络模型,并基于临时限速系统技术规范的参数对模型进行赋值;采用BNF语法对临时限速系统待验证的属性进行了形式化描述,并应用UPPAAL验证工具对临时限速模型的安全性和受限活性进行仿真验证.验证结果表明:与现有临时限速系统的时间参数设置相比,修正后的时间参数设置避免了出现系统死锁现象;在不影响安全功能属性和受限活性的基础上,提高了临时限速系统的实时性,可在规范规定时间5 s内做出响应.      

基于变异模型的CTCS-3级列控系统测试用例自动生成方法研究

本文提出一种基于变异模型的CTCS-3级列控系统测试用例自动生成方法。根据列控系统需求规范,建立它的SMV（Symbolic Model Verifier）模型,对此模型进行变异,将变异之后的模型输入到模型检验器SMV中,利用模型检验生成反例的技术,自动生成测试用例,提高了测试用例的生成效率。并以CTCS-3级列控系统的无线闭塞中心（RBC）切换场景为例,验证了该方法的有效性。     

基于XML的时间自动机状态可达性分析在RBC子系统中的应用

时间自动机中的状态可达性分析是模型建立完成之后的一个重要验证工作,大多数时间自动机建模工具均为非开源代码,不能与实际系统进行有机的结合.本文以CTCS-3中的无线闭塞中心(RBC)[1]为实际系统,提出基于XML的时间自动机状态可达性分析[2],实现了建模工具与实际测试平台不同开发环境下的数据交互,为完善整个测试平台在理论方法与实际应用相结合方面提出一个较为可行的方法.     

基于TAIO变异的CTCS-3列控系统测试案例生成方法

为了研究高覆盖已知故障集的中国列车运行控制系统三级（CTCS-3）测试案例生成方法,提出了一种基于输入输出时间自动机（TAIO）变异分析的测试案例生成方法. 结合列控系统模式转换的故障特点,设计了包含模式转换已知故障的8种变异算子（改变行为、改变目标位置、改变源位置等）,形成了15 106个变异体;利用输入输出一致性关系（tioco）和k-Bounded模型检验方法生成了10 843个测试案例;应用一致性关系分数（CRS）、平均一致性关系分数（ACRS）和加权一致性关系分数（WCRS）进行了故障覆盖度的分析. 研究结果表明:该方法设计和生成的测试案例能够有效覆盖改变行为、改变不变量和增加sink位置3种故障模式,而对于约束取反和复位取反的故障模式覆盖度不高,需通过额外的观测信息来检测故障.